CFA LogoCFA Logo Computer
Загрузка поиска
Новости Компьютеры Прайс-лист [Новое] Прайс-лист [Б/У] Для ноутбуков Конфигуратор ПК Заказ, Оплата, Доставка Сервис объявления Драйвера Статьи Как нас найти Контакты
Новости
RSS канал новостей
Список материнских плат компании Biostar пополнился свежими моделями под поколения процессоров Intel ...
Похоже, что компания Gionee в эти дни очень сильно занята. Только недавно мы сообщали об анонсе ...
Компания Enermax в своем коротеньком пресс-релизе рассказала общественности о старте серии недорогих ...
SteelSeries представляет новую игровую клавиатуру APEX 150, которая дает игрокам высочайшую надежность ...
Пока в Сети живо обсуждают информацию о возможном выпуске компанией NVIDIA графического ускорителя ...
Самое интересное
Программаторы 25 SPI FLASH Адаптеры Optibay HDD Caddy Драйвера nVidia GeForce Драйвера AMD Radeon HD Игры на DVD Сравнение видеокарт Сравнение процессоров

АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2002 ГОД

Квантовые компьютеры

Алексей ГОРШУНОВ aka KickBack/UA

Наука и технология в процессе своего развития становятся все менее доступными для понимания неподготовленного человека. А наиболее сложная для восприятия наука — квантовая физика — готовит нам чуть ли не наиценнейший сюрприз — квантовый компьютер.

Как возникла идея квантового компьютера

Все знают, что при интенсивных вычислениях центральный процессор нагревается. Однако технологии не стоят на месте и появляются все более быстродействующие процессоры, которые потребляют столько же энергии, сколько и старые. Более того, в последнее время мы все чаще читаем в новостях о суперэкономичных ЦПУ, не уступающих в резвости своим прожорливым собратьям. Выходит, что вычислительная мощь и потребляемая мощность процессоров никакой такой пропорциональной связью не связаны. А что если в будущем мы сможем создать процессор, который бы вообще не потреблял энергии? Нонсенс? Отнюдь нет. Такой процессор должен производить так называемые обратимые вычисления, основанные на обратимых операциях. Мысль о существовании обратимых операций высказал впервые Р. Ландауэр в 1961 году. Позже в 1982-м Ч. Беннет теоретически показал, что универсальный компьютер может быть основан на обратимых операциях так, чтобы энергия при вычислениях не тратилась. В этом случае энергия будет необходима лишь для операций ввода-вывода с внешними устройствами.

С другой стороны, не отстает в интенсивности развития от компьютерной техники и квантовая физика. Здесь я не буду останавливаться на ее основных принципах, поскольку искренне считаю всех вас, дорогие читатели, людьми образованными. Вне всяких сомнений, существовало и некоторое взаимное влияние этих двух сфер человеческой деятельности. Например, Джон фон Нейман, до того как занялся компьютерами, являлся исследователем квантовой механики.

Впервые о вычислительных возможностях устройств на квантовых элементах задумался в 1980 году русский математик Ю.И. Манин. Дело в том, что именно квантовые элементы могут позволить создать компьютер на обратимых операциях. Одновременно с Ю.И. Маниным над тем же вопросом работали американский физик П. Бенев и английский ученый-теоретик Д. Дейч. Уже они пришли к выводу, что квантовый компьютер (КК) может быть создан. И, кроме того, он может стать гораздо производительнее обычного «классического» компьютера. Кто знает, как развивалась бы дальше судьба столь интересной идеи, если бы на нее не обратил внимания общественности Нобелевский лауреат в области физики (1965 года) Ричард Фейнман (Feynmann R.P. Simulating physics with computers // Int. J. of Theor. Ph. — 1982. — V. 21.). В частности, автор поставил вопрос о том, какие выгоды можно извлечь из реально действующего квантового компьютера. Поскольку Фейнман является одним из основателей современной квантовой механики и несомненным авторитетом в этой области, КК стал модным и многообещающим направлением исследований во всем мире.

Что следует считать квантовым компьютером

Пришло время разобраться с тем, что же мы понимаем под словосочетанием «квантовый компьютер». Не секрет, что знание квантовой физики необходимо для разработки любого современного компьютера. Ведь последние достижения в области миниатюризации деталей микросхем были бы невозможны без учета квантовых эффектов. Однако современные компьютеры все же нельзя назвать квантовыми. А все потому, что логика их работы остается классической — двоичной логикой Шеннона. Как вы знаете, в двоичной логике наименьшим элементом является бит. Он может принимать всего одно из двух возможных значений. Исходя из этого постулата проектируются все современные цифровые устройства.

Суть квантовой логики в использовании наименьшей единицы кубита (qubit). Кубит — это квантовый бит. В отличие от бита, кубит может содержать смешанные значения. Например, его значением может быть «1» с вероятностью 10 % и одновременно «0» с вероятность 90 %. Это не значит, что кубит имеет значение «0», потому что вероятность этого значения больше. Это значит, что при чтении значения кубита в десяти случаях из ста мы получим «1», а во всех остальных — «0». Такое смешанное состояние позволяет хранить в кубите как бы сразу два значения одновременно. (Откровенно говоря, все это очень попахивает кое-кем активно пропагандируемыми и весьма безуспешно развивающимися устройствами с нечеткой логикой. —Прим. ред.). Если взять два кубита с рассмотренными выше значениями, то значение «11» мы получим с вероятностью один раз из ста, значения «01» и «10» — по девять раз каждое. В остальных 80 случаях мы можем рассчитывать на значение «00». Таким образом, не изменяя значения кубитов, мы работаем одновременно со всеми возможными комбинациями их значений. Такое состояние двух и более кубитов называют запутанным. Из примера видно, что 2 кубита содержат одновременно 4 значения. Если продолжить загибать пальцы, то получится, что N кубитов могут одновременно содержать 2N значений.

А теперь представьте, что мы объединили N кубитов в один регистр (одну ячейку) и производим над ними разные логические операции. В результате будут изменяться вероятности чтения каждого из 2N значений. Получается, что мы одновременно обрабатываем 2N чисел, разрядностью N каждое. В этом и заключается естественный параллелизм квантового компьютера. Обычному компьютеру понадобилось бы обрабатывать каждое число по отдельности. (Обычные компьютеры обрабатывают информацию «битами». В зависимости от комбинации единиц и нулей в восьми битах (байте), формируется индивидуальное число от нуля (00000000) до 255 (11111111). В квантовом компьютере биты могут состоять из нулей или единиц одновременно. «Таким образом, байт из восьми битов может представлять все числа между нулем и 255 в одно и то же время, что позволит квантовым компьютерам производить некоторые виды математических операций намного быстрее, чем это делают обычные компьютеры». Это говорит вам не редакция, это сказал Фред Чонг, один из разработчиков КК. —Прим. ред.).

Таким образом КК дает очень большой выигрыш в быстродействии в тех случаях, когда нужно обработать сразу множество вариантов. (А все дело в чем? В старой доброй страсти ко взлому :-). Для подбора сложного кода обычный компьютер может потратить миллионы лет, чтобы обработать все возможные решения и найти единственное — верное. Квантовый компьютер справился с такой задачей за месяц, потому что он может обрабатывать множество комбинаций решений одновременно. Для спецслужб, которым порой очень важно взломать те или иные коды защиты, причем за довольно короткое время, решение данной проблемы — одна из важнейших задач. —Прим. ред.).

Как работает квантовый компьютер

Основным элементом КК является регистр из N кубитов. Перед началом вычислений все кубиты переводятся в некоторое начальное состояние. Например, в них записывают чистый «0». Затем каждый кубит индивидуально переводится в смешанное состояние, отвечающее исходным данным решаемой задачи. После этого над регистром как над единым целым производят последовательные операции. Результат вычисления считывается по состояниям кубитов в конце работы. Таким образом, получаем три основных этапа работы КК: инициализация, выполнение операций над кубитами, считывание результата вычислений. Для такой схемы работы КК ученые разработали требования, которым должна удовлетворять его конструкция. Они были сформулированы в 1996 году Дивиченцо, одним из видных специалистов в области КК.

1. Регистр должен содержать достаточно много хорошо различимых кубитов (не менее 1000). Только тогда КК даст ощутимый выигрыш в быстродействии по сравнению с современными компьютерами и оправдал затраченные на его создания средства. (Действительно, например, IBM в прошлом году продемонстрировала, как семикубитовый квантовый компьютер справляется с факторизацией чисел по так называемому алгоритму Шора. Хотя решенная детищем IBM задача вряд ли способна поразить воображение (компьютер верно определил, что делителями числа 15 являются числа 5 и 3), зато пока это самое сложное вычисление за всю историю квантовых компьютеров. Сам компьютер, созданный совместными усилиями сотрудников IBM и Станфордского университета, представляет собой пробирку с миллионами молекул (рис. 1), имеющих семь ядерных спинов. Он может быть «запрограммирован» при помощи электромагнитных импульсов разной частоты, а для получения результатов работы устройства используется ЯМР (ядерный магнитный резонанс)-сканер. —Прим. Рис. 1ред.).

2. Должна быть предусмотрена возможность инициализации регистра и перевода его в некоторое начальное состояние (чистое состояние).

3. Кубиты должны быть достаточно хорошо изолированы от окружающей среды. В таком случае время потери когерентности (нарушения необходимого смешанного состояния) будет хотя бы в 10 000 раз больше времени, затрачиваемого на одну операцию над регистром (одного такта).

4. Необходимо обеспечить выполнение (за время одного такта) предусмотренных в программе операций над регистром.

5. Нужен надежный способ измерения состояний кубитов после завершения вычислений для получения результата. Данная проблема является одной из наиболее сложных. Этот вопрос мы рассмотрим чуть дальше.

Еще одним важным элементом КК является обычный компьютер для выполнения вспомогательных операций: ввода и вывода информации, коррекции ошибок, произведения операций над квантовым регистром, хранения программы и т. д. Так что квантовый и современный компьютеры будут как бы дополнять друг друга. Возможно, один станет всего лишь придатком к другому.

Возможные конструкции квантовых компьютеров

В таблице 1 показаны некоторые направления, в которых двигаются ученые, работающие над созданием КК (рис. 2). В каждом направлении для построения регистра кубитов используются разные физические принципы, но порядок работы компьютера остается аналогичным описанному выше.

Обратите внимание, что некоторые перспективные разработки еще не перешли в стадию реализации, а существуют лишь в теории. Другие же, напротив, уже имеют работающие образцы, на которых можно выполнять простые квантовые алгоритмы.

Кроме направлений, перечисленных в таблице, существует еще немало молодых, пока слабо обоснованных теорий, а также работ, относительно которых мало доступной Рис. 2информации.

Широкие перспективы в конструировании новых КК открываются также благодаря таким достижениям, как получение конденсата Бозе-Эйнштейна (Нобелевская премия по физике за 2001 год), и успехи в использовании фотонов в качестве кубитов (фотонный компьютер). (Пару слов о конденсате Бозе-Эйнштейна. Речь идет об особом сверхконденсированном состоянии вещества, которое иногда именуется его «пятым» состоянием — наряду с твердым, жидким, газообразным и плазменным. Возможность перевода вещества в такое состояние путем охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю, была предсказана Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном еще в первой трети ХХ века, однако реализовать эту идею на практике впервые удалось сравнительно недавно. Главная особенность конденсата Бозе-Эйнштейна состоит в том, что образующие его атомы при столь низких температурах как бы теряют свою самостоятельность и начинают вести себя как один гигантский атом. В результате все свойства вещества в таком состоянии резко меняются. —Прим. ред.).

Проблемы, которые предстоит решить

Проблемы, стоящие перед создателями квантовых компьютеров, определяются в основном описанными выше требованиями к их конструкции. Коротко остановимся на наиболее актуальных из них.

Увеличение времени когерентности (то есть нахождения кубитов в рабочем состоянии) возможно с увеличением степени изоляции регистра от внешней среды. В большинстве описанных выше конструкций КК происходящие в них процессы настолько тонкие, что не могут протекать при комнатной температуре. Квантовые компьютеры тяготеют к низким энергиям, чего не скажешь о современных процессорах «классических» компьютеров.

Однако, изолируя кубиты от внешней среды, мы затрудняем управление их состоянием. (А тут еще французские физики обнаружили, что даже хорошо изолированный квантовый компьютер может «впасть» в режим квантового хаоса, в котором какие-либо вычисления становятся невозможными :-). —Прим. ред.). Таким образом, два требования к конструкции КК противоречат друг другу.

Еще одной проблемой, о которой нужно упомянуть, является повышение достоверности получаемых результатов. Как я уже говорил, вычисления на КК имеют вероятностную природу. Поэтому даже в идеальном случае сохраняется вероятность получения неверного результата. Для преодоления этой неприятности уже разработано и даже опробовано несколько алгоритмов квантовой коррекции ошибок.

И наконец, главной и наиболее фундаментальной проблемой является измерение состояния кубитов после вычислений. Дело в том, что в силу своей квантовой природы кубит является как бы черным ящиком, который содержит одновременно два возможных значения. Об этом я уже говорил. Так вот, когда мы читаем из него значение и получаем, например «1», то самим актом чтения мы изменяем состояние кубита. И при следующей попытке чтения (а их нужно много, чтобы узнать вероятность) мы будем иметь дело с «испорченным» кубитом. Мы же сами его и «испортили», когда произвели чтение первый раз. Понять суть сказанного легче на примере с кошкой Шредингера (речь идет об одном умозрительном опыте).

Представим, что у нас есть ящик с кошкой. В ящике также находится «адская машинка», которая следит за одним ядром атома урана. Уран, как известно, радиоактивен и его ядро распадется с вероятностью 50 % через время, равное периоду полураспада. Когда это случится, «адская машинка» разобьет пробирку с синильной кислотой, и кошка, конечно же, отравится и умрет. Так вот, пока ящик закрыт, мы не знаем, жива кошка или уже нет. С течением времени вероятность, что кошка жива, уменьшается. Когда пройдет время, равное периоду полураспада урана, в ящике будет кошка живая с вероятностью 50 %. Если мы откроем ящик и обнаружим, что бедная киска сдохла, мы спросим себя: «Как же так? Ведь только что кошка была наполовину жива. Неужели это мы ее убили, открыв ящик?» (Вообще, кошку кормить надо было. Кстати, а как относится общество защиты животных к г-ну Шредингеру? :-) —Прим. ред.). По законам квантовой механики, так оно и есть. Это значит, что нельзя получить никакую информацию о кубите, не внеся изменения в его состояние. И бороться с этой неприятностью бесполезно, как и с любым законом природы. Однако можно эту неприятность обойти. Стоит лишь проявить изобретательность и упорство. Ведь как гласит принцип неисчерпаемости Природы: Природа имеет средства для осуществления любой корректно сформулированной задачи.

Где можно применять КК

Существуют задачи, решение которых с помощью обычного компьютера очень трудно найти, но легко проверить. Время, затрачиваемое на решение таких задач, растет экспоненциально по отношению к числу битов, которыми представлена задача. Именно здесь может пригодится естественный параллелизм квантовых вычислений, для которых быстродействие увеличивается экспоненциально с возрастанием числа кубитов.

Одной из областей приложения мощи КК может стать квантовая криптография и квантовый криптоанализ. Важным событием являлось создание П. Шором в 1994 году квантового алгоритма факторизации, то есть разложения числа на простые множители. Эту задачу также называют нахождением дискретного логарифма, и она является основной преградой на пути расшифровки всех современных шифров. Так, например, факторизация числа с 1000 знаков потребует 1025 лет работы 1000 современных персоналок, то есть времени большего, чем возраст нашей родной вселенной, которой «всего» 1010 лет. КК с регистром из 10 000 кубитов решил бы ту же задачу за пару часов. Алгоритм Шора можно реализовать даже на КК с небольшим числом кубитов (несколько десятков) и использовать уже в ближайшем будущем для шифрования и расшифровки «на лету», обеспечивая тем самым безопасную связь.

Другая вершина, которую должен покорить квантовый компьютер, — это поиск записи в базе данных. Алгоритм для ее решения с помощью КК предложил в 1997 году Л. Гровер. Если у нас имеется база данных, содержащая 2N записей, и нужно найти одну, то современному компьютеру потребуется в среднем 2N/2 обращений к базе. Квантовый алгоритм Гровера прекрасно справится с задачей за 2N/2 обращений. Как говорится, почувствуйте разницу!

Одна из заноз на пути прогресса — это задача на проектирование оптимальной микросхемы с заданной функциональностью (PSPACE-задача). За решение частных ее случаев получают свои зарплаты лучшие инженеры Intel и AMD. Ведь оптимальная микросхема — это лучший вариант из всех возможных. Именно его и поможет быстро находить квантовый компьютер. Кроме того, родственными PSPACE-задачами являются и некоторые проблемы искусственного интеллекта.

И, наконец, самое, на мой взгляд, парадоксальное применение КК — это моделирование других квантовых систем (как говорил Ганеман, Similia similibus curantur (Подобное лечится подобным). Ведь если бы такое моделирование было сегодня легко реализуемо, то с одной стороны, исчерпали бы себя проблемы с конструированием КК, а с другой — Ричард Фейнманн, возможно, не написал бы своей статьи, породившей такой интерес к КК. К квантовым системам, подлежащим моделированию, можно отнести молекулы сложных химических соединений (например, белков), детали современных микросхем (те же транзисторы в процессорах), разнообразные наноструктуры (но это уже Таблицаиз другой модной области — нанотехнологий).

Одним словом, создание квантового компьютера позволило бы решать многие задачи проще, быстрее и с меньшей затратой ресурсов.

Заключение

Подводя итог сказанному, можно констатировать следующее. Существует значительная заинтересованность в создании КК (некоторые от нетерпения даже формируют сообщества программистов квантовых компьютеров —http://www.openqubit.org). Многие ученые занимаются разработкой теоретической базы КК, и это подтверждается изобилием материалов по этому вопросу во Всемирной Сети. Уже сейчас создано немало алгоритмов для КК. Регулярно проводятся международные конференции. Например, в прошлом году проходили EQIS’01 (сентябрь 2001 г., Токийский университет), «Международная конференция по экспериментальной реализации квантовых вычислений» (январь 2001 г., Сидней), «QUICK — квантовая интерференция и криптографические ключи: конференция по новейшей физике и передовым технологиям» (апрель 2001 г., Корсика), «Конференция SPIE Aerosense по квантовому компьютингу» (апрель 2001 г., Флорида), «Международная конференция по квантовой информации» (июнь 2001 г., Рочестер) и многие другие. В этом году ожидается не меньше подобных мероприятий.

Во многих исследовательских центрах всего мира ведутся работы по воплощению в жизнь полноценных КК.

Однако, несмотря на всю эту бурную деятельность, похоже, что первые полезные результаты появятся не завтра и даже не послезавтра, а гораздо позже (по некоторым прогнозам, эра КК наступит где-то в 2020 году). Единственное, что беспокоит, — Украина может «проспать» очередной виток истории (Россия, приятно отметить, уверенно идет на мировом уровне). Поэтому не зевайте и будьте в курсе, куда движется наша с вами цивилизация.

Рекомендуем ещё прочитать:






Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:

RSS
Комментарий:
Введите символы: *
captcha
Обновить





Хостинг на серверах в Украине, США и Германии. © www.sector.biz.ua 2006-2015 design by Vadim Popov